Photoionisation et spectrométrie de masse : un nouvel outil pour l'identification de biomolécules, Photoionisation and mass spectrometry : a novel tool for the identification of biomolecules

Aïcha Bagag

Description

Sous la direction de Olivier Laprévote
Thèse soutenue le 17 octobre 2008: Evry-Val d'Essonne
Mon travail de thèse a été entièrement dévoué à l’étude d’une récente technique d’ionisation en spectrométrie de masse : la photoionisation à pression atmosphérique (APPI). Ce travail est développé sur deux axes principaux. D’une part, il vise à appliquer cette méthode d’ionisation à de nouvelles familles de molécules et d’en élargir le cas échéant le domaine d’application. D’autre part et parallèlement à cela, nous nous sommes attachés à l’étude des mécanismes de formation des ions ainsi qu’à l’élucidation des voies de fragmentation. En effet, ces dernières se révèlent souvent intensives et particulières. Les résultats obtenus dans le cadre du premier axe de recherche de ce travail de thèse offrent de nouvelles solutions pour mieux comprendre le comportement de molécules biologiques sous irradiation UV et à pression atmosphérique. En effet, nous avons pu démontrer que la photoionisation à pression atmosphérique pouvait s’étendre à d’autres classes de composés que ceux initialement pressentis et plus particulièrement à des biomolécules polaires et de haut poids moléculaire tels que les acides nucléiques, peptides, les peptides, etc. De plus, ce travail a permis de démontrer l’impact du milieu (solvant) sur le mécanisme de formation des ions sous irradiation UV. Ainsi l’étude et la connaissance des mécanismes fondamentaux de formation des ions en APPI a visé in fine au contrôle de la formation des ions précurseurs et par voie de conséquence, à celui des fragments générés en source. Nous avons observé des ions fragments radicalaires d’un type nouveau, jamais observé auparavant avec les sources d’ions connues L’originalité et le caractère résolument novateur de cette expérience nous ont amené à transférer cette expérience sur une ligne de lumière du Synchrotron SOLEIL. L’utilisation d’une source de lumière accordable en APPI va certainement renforcer la versatilité de cette source d’ions.
-Processus radicalaires
My PhD’s work has been completely dedicated to develop new ionization source in mass spectrometry: the atmospheric pressure photoionization (APPI). This work is developed on two main areas. On the one hand, it aims to apply this method to new family of biomolecules. On the other hand, we report a comprehensive study on the ionization mechanisms in APPI. The first part of this manuscript offers a better understanding of the behaviour of the biological molecules under VUV radiation and atmospheric pressure. Indeed, we were able to say that polar and high molecular weight biomolecules could be easily photoionizable. Moreover, this work allows studying the effect of the medium (solvent) on the photoionization mechanism to be studied. It is possible to control the orientation of the observed reactions and to choose a particular type of molecular ion. We observed extensive and peculiar fragmentations which have never been detected with classical ionization techniques. The originality and innovative approach of this experience led us to transfer it to a UV beamline of the Synchrotron SOLEIL. Using an accordable source will certainly enhance the versatility of the ion source.
-Radical processes
Source: http://www.theses.fr/2008EVRY0041/document

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ D’EVRY VAL D’ESSONNE




ÉCOLE DOCTORALE :
DES GÉNOMES AUX ORGANISMES



THÈSE

Présentée



A L’INSTITUT DE CHIMIE DES SUBSTANCES NATURELLES (ICSN)


En vue de l’obtention du grade de

DOCTEUR EN SCIENCES DE L’UNIVERSITÉ D’ÉVRY VAL D’ESSONNE

par

Aïcha BAGAG



PHOTOIONISATION ET SPECTROMÉTRIE DE MASSE : UN NOUVEL
OUTIL POUR L’IDENTIFICATION DE BIOMOLÉCULES




Soutenue le 17 Octobre 2008 devant la Commission d’Examen :



Mme Florence GONNET Présidente
M. Andries BRUINS Rapporteur Laurent DEBRAUWER Rapporteur
Mme Catherine LANGE Examinateur
M. Alexandre GIULIANI
M. Olivier LAPREVOTE Directeur de thèse A Rachid,

Pour ton amour et ton soutien inconditionnel depuis toutes ces années. Pour ta capacité à
trouver les mots justes et réconfortants, pour ta patience et le bonheur que tu m’apportes
jour après jour. Pour toutes ces raisons qui font que tu es mon mari. Merci à toi pour m’avoir
supporté et resté patient même dans les moments difficiles. Ce travail n’aurait pu voir le jour
sans ton soutien et c’est pour toutes ces raisons que je tiens à te dédier ce travail de thèse.

A mes parents,

Vous avez veillé sur moi depuis ma naissance jusqu’à ce que je suis ; vous m’avez assuré une
vie digne ; vous avez manifesté beaucoup de sacrifices afin de me voir grandir devant vos
yeux. Aujourd’hui, vient mon tour pour vous remercier en vous offrant ce travail qui est le
fruit de vos sacrifices. Maman, Papa, je vous dois toute ma vie ! Cette réussite est aussi la
vôtre.

A ma sœur Fatima,

Pour tous les moments de bonheur partagés. Pour m’avoir encouragée et réconfortée dans les
moments de doute et soutenue dans mes projets professionnels et personnels. Merci grande
sœur.

A Hassan, Fayssal et Rachid,

Pour votre gentillesse et vos encouragements. Vous êtes pour moi des frères exemplaires.
Merci pour avoir réussi à supporter une sœur caractérielle. Merci.

A ma belle famille,

Ils ont toujours été présents pour moi et ce depuis le début de mon travail de thèse. Je les
remercie du fond du cœur pour leurs encouragements et leur amour.












REMERCIEMENTS


Je tiens à remercier Monsieur le Docteur Olivier LAPREVOTE, directeur de thèse,
de m’avoir accueillie dans son équipe, de ses compétences scientifiques, de son enthousiasme
quotidien, de son dynamisme pour la valorisation des résultats, et des formations et congrès
auxquels il m’a permis de participer.

Je remercie chaleureusement Monsieur le Docteur Alexandre GIULIANI,
responsable scientifique de cette thèse, pour la qualité de son encadrement et la confiance
qu’il m’a témoignée en me laissant une grande liberté d’action, valorisant ainsi ma thèse
comme un projet professionnel. Sa constante disponibilité, sa bonne humeur, son
enthousiasme, ses conseils, ses compétences scientifiques et nos enrichissantes discussions
m’ont permis de mener mes travaux dans les meilleures conditions, d’élargir mes
connaissances à l’interface physique-chimie et de me former à des techniques nouvelles.

J’adresse également mes remerciements à Madame la Docteur Florence GONNET
pour avoir accepté de présider ce jury de thèse.

Je remercie vivement Monsieur le Professeur Andries BRUINS pour l’honneur que
vous me faîtes en ayant accepté d’être rapporteur de ces travaux, pour ces discussions
enrichissantes lors des différents congrès internationaux.

Je tiens aussi à remercier Laurent DEBRAUWER d’avoir accepté d’être l’un des
rapporteurs de ce travail de thèse.

Un grand merci à Catherine LANGE pour m’avoir fait l’honneur de votre présence
au sein de mon jury de thèse, pour m’avoir initié à la spectrométrie de masse.

Je remercie également le Professeur Jean-Yves LALLEMAND pour la confiance que
vous m’avez témoigné en m’accordant ce financement qui m’a permis de mener à bien cette
thèse.

Tous mes remerciement vont également à :

Farida Benabdallah, pour tous ces bons moments partagés, nos échanges scientifiques et
personnels.

Isabelle Schmidt-Afonso, pour ton amitié, ces heures passées devant la chaîne HPLC pour
purifier ce fameux « DF8 », tous tes conseils de maman.

Vincent Guérineau, pour ta disponibilité et ta bonne humeur.
Alain Brunelle, pour toute l’expérience que tu as su m’apporter, pour ton aide dans la
compréhension de la physique des particules

Nora Tahallah, pour ton amitié, ces très bons moments partagés lors des congrès, toutes ces
discussions sur notre vision du monde.

Jean Pierre Le Caer, pour ta bonne humeur et tes précieux conseils.

David TOUBOUL, pour tous ces bons moments partagés, nos échanges scientifiques.

Delphine DEBOIS, pour ta bonne humeur au sein du bureau.

Alexandre Seyer, j’espère que le laboratoire saura t’apporter tout ce que tu recherches

Julie et Sylvie, pour votre accueil, votre disponibilité et votre bonne humeur.

Toute l’équipe DISCO, pour votre accueil lors de mes passages à SOLEIL et pour votre
disponibilité. SOMMAIRE

Introduction Générale…………………………………………………………..1


ère1 PARTIE : GENERALITES

CHAPITRE 1 : Quelques notions fondamentales………………………..…...4


I. INTERACTION LUMIERE/MATIERE………………………………………………….....4
I.1 Principaux processus d’interaction du photon…………………….………………..4
I.1.1 La diffusion Rayleigh…………………….…………………………...…..5 I.1.2 La diffusion Thomson ……………………………………….…………....5 I.1.3 L’effet Raman…………………………………………………….…….....6
I.1.4 La photoabsorption…………...………………………………….…….....6 I.1.5 Comparaison des processus…………..………………………….…….....7

II. STRUCTURE ELECTRONIQUE DES ATOMES ET DES MOLECULES…………........8
II.1 Structure des molécules…………………………………………………………....8
I.1.1 Approximation de Born-Oppenheimer……………………………………8 I.1.2 Approximation de Hartree-Fock………………………………………….9 I.1.3 Energie des orbitales…………………………………………………….10
II.2 Physicochimie d’une molécule électroniquement excitée ……………………….11
II.3 Diagramme de Jablonski…………………………………………………………14
II.3.1 Emissions radiatives……………………………………………………15 II.3.2 Processus non radiatifs…………………………………………………16

III. STABILITE ET REACTIVITE DES IONS EN PHASE GAZEUSE……………………17
III.1 La théorie de la réaction unimoléculaire en spectrométrie de masse …………...18
III.1.1 La théorie statistique RRKM/QET…………………………………..…19 III.1.2 Facteurs influençant le calcul de la constante de vitesse …………..…21
a) La géométrie de l’état de transition…………………………………..21
b) Le temps de résidence des ions……………………………………...22
III.1.3 Application de la théorie des réactions unimoléculaires à la SM……..23
a) La fenêtre d’observation…………………………………………….24
b) L’énergie interne E déposée sur l’ion……………………………….24 int
III.2 Energie interne…………………………………………………………………..26
III.2.1 L’ion précurseur ………………………………………………………26 III.2.2 L’excitation secondaire………………………………………………..27 III.2.3 Principe de la mesure d’énergie interne des ions par les thermomètres
chimiques …………………………………………………………………………………….30
III.3 Cinétique de dissociation des ions selon une distribution d’énergie interne ……35
III.3.1 A haute pression ou « rapid energy exchange limit » ………………...36 III.3.2 A basse pression ou « slow energy exchan…………………..38

Références bibliographiques I……………………………………………………………….39

ième2 PARTIE : PROCEDES EXPERIMENTAUX


CHAPITRE 2 : Spectrométrie de masse…………………………………………....44

I. LE SPECTROMETRE DE MASSE…………………………………………………….….44
I.1 Qu’est ce que la spectrométrie de masse………………………………………….44
I.2 Qu’est ce qu’un spectromètre de masse…………………………………………...45
I.3 Le spectromètre utilisé : le QStar pulsar i ………………………………………...46

II. LE DETECTEUR EQUIPANT LE SPECTROMETRE DE MASSE ……………………48

III. L’ANALYSEUR DE MASSE …………………………………………………………...49
III.1 Les analyseurs de type quadripolaire……………………………………………49
III.2 L’analyseur à temps de vol………………………………………………………52
III.2.1 Principe général ………………………………………………………52 III.2.2 Le réflectron…………………………………………………………...53 III.2.3 L’injection orthogonale………………………………………………..54

IV. L’INTERFACE…………………………………………………………………………...57
IV.1 Paramètres instrumentaux caractérisant l’interface…….……………………….57

R&